防喷器概率性判废分级评定方法研究

吴奇兵 ,赵丽倩,陈泽光,李文涛,刘可扬,陈明新,蔡宝平,葛伟凤,3

(1.中海油安全技术服务有限公司,天津 300450;2.中国石油大学 机电工程学院, 山东 青岛 266580;3.中海油能源发展股份有限公司 安全环保分公司, 天津 300450)

防喷器作为油气钻采作业的安全关键设备[1-2],是防止井喷等重大事故的最后一道防线。随着防喷器使用年限的增加,一些关键部件会出现磨损、裂纹和腐蚀等缺陷[3]。有的缺陷可以通过维修或再制造来恢复其性能,零件的总体性能会受到一定的影响。当缺陷无法修复或者修复后水下防喷器的性能不能满足使用需求时,就需要将其报废,以确保油气生产安全。因此,合理的判废是保证海上作业安全的重要手段之一[4-5]。

目前关于防喷器的判废,国内外还没有统一的标准,也没有强制报废的做法[6],最早南海二号闸板防喷器从1974年至今使用已接近50年。根据SY/T 6160—2014《防喷器检查和维修》中规定的出厂时间满16年强制报废标准,据粗略统计,地面防喷器超过40%、水下防喷器超过50%属于超年限服役,这给现场作业带来很大的安全隐患。现行的防喷器判废行业标准SY/T 6160—2019《防喷器检验、修理和再制造》删除了出厂满16年时判废和两次补焊即判废等不合理的判废要求。但是,标准规定的情况多为定性描述[7],未充分结合现场检测数据、作业环境等不确定性因素,不利于相关人员现场判断。而且国内使用的防喷器多为进口装备,由于其性能及使用工况的特殊性,通常会根据相关检测维修标准或厂家推荐的方法来保证防喷器的安全。所以,目前国内的判废标准存在一定的局限性,需要综合考虑更多的因素才能对防喷器起到强制报废的作用。

与防喷器判废相关的研究包括对环形或闸板防喷器壳体进行疲劳寿命评估、研究初始裂纹、腐蚀坑以及多次补焊对防喷器性能的影响以及对海上井控装备进行故障分级等。对环形或闸板防喷器壳体进行疲劳寿命评估[8],从防喷器使用年限和承压次数的角度为制定判废标准提供参考[9-10];通过研究初始裂纹、腐蚀坑以及多次补焊对防喷器性能的影响,得出不同影响因素对防喷器剩余寿命的影响规律,为优化防喷器设计、制定防喷器维修方案及判废标准的制定等提供新思路[11-13];综合外观检测、安全检查、硬度和功能测试以及无损检测结果等对海上装备进行故障分级,对设备进行分级管理[14],为防喷器判废提供理论和技术依据[15-16]。综合以上分析,防喷器的判废分级评定可以以相关判废标准为依据,并在全面科学的检测基础之上[17]开展防喷器的判废工作,最终做到在保证防喷器安全运行的情况下发挥防喷器的最大效益。

1 防喷器概率性判废分级评定建模方法

本文提出了基于贝叶斯网络的防喷器概率性判废分级评定方法,该方法从标准判定、缺陷评定和风险性评定三个方面进行了分析,建立了综合三个方面的贝叶斯网络[18]模型。根据节点间的相互关系,并结合检测数据和专家经验,实现了防喷器判废的定量评定,解决了单一判废标准难判定、适用性差的问题,为防喷器判废提供了新的思路,可用于判定所有的防喷器,不受型号、生产厂家等因素的限制。判定内容较全面,建立在全面检测的基础上,既满足防喷器的安全需要,又避免了资源浪费。具体的分级方法如图1所示。

图1 防喷器概率性判废分级评定方法

主要包括3个步骤:

1) 标准判定。根据判废标准将判废指标分类,建立标准判定贝叶斯网络。决策者判定水下环形或闸板防喷器在当前状态下是否符合一个或多个判废指标。如果符合,则防喷器应直接报废;如果不符合或者不确定,则进行下一步判定。

2) 确定水下环形或闸板防喷器判废概率。分别建立缺陷评定和风险性评定贝叶斯网络模型,根据缺陷检测结果得到缺陷的安全程度,根据专家经验得到风险可接受程度,整合标准判定结果、安全程度和风险可接受程度得到最终判废概率。

3) 确定判废安全等级。划分判废概率等级,根据前两步得到的结果确定当前状态下的判废安全等级,并对结果进行分析评价。

1.1 标准判定建模

标准判定建模的依据是SY/T 6160—2019《防喷器检验、修理和再制造》。该标准规定了防喷器的判废条件,相比其他的判废标准,该标准删除了报废年限、承压次数等与井控发展不相符的条件,是目前最新的行业标准,对防喷器的判废具有一定的指导意义。

判废条件分为通用要求和特殊要求。通用要求规定了壳体非密封面、承压件、主通径孔的判废条件;特殊要求分别规定了环形防喷器顶盖、壳体和连接零部件与闸板防喷器壳体和侧门的判废条件。所以本节将判废条件根据条件主体分为承压件、主通径孔、壳体剩余部分和其他部分四类,并将这四类作为中间节点,标准判定作为顶节点,标准中的每一个条件作为根节点来建立标准判定贝叶斯网络。以闸板防喷器为例建立的标准判定模型如图2所示,各节点对应风险因素如表1所示。

表1 标准判定因素

图2 标准判定模型

所有节点都有两个状态,即“符合”、“不符合”。设置根节点的初始概率P(Xi=符合)=50%,节点间的条件概率符合OR-gate关系,即P(T=符合|Xi=符合)=100%。只要有一个根节点的状态为“符合”时,标准判定就为“符合”,当所有根节点的状态均为“不符合”时,标准判定才“不符合”。对环形防喷器进行建模时也是将承压件、主通径孔、壳体剩余部分作为中间节点,标准判定作为顶节点进行分类建模。先对防喷器进行标准判定,可以减少不必要的决策过程,但也只适用于防喷器判废状态明显的时候。

1.2 缺陷评定建模

判废标准表述的是防喷器达到判废时的状态。当防喷器在检测时发现缺陷,但当前状态没有达到判废状态,或者决策者无法准确判断当前状态是否达到判废状态时,标准判定失效。此时,应确定缺陷对防喷器的影响,判断缺陷是否处于安全状态。如果缺陷处于安全状态,则说明缺陷是安全的或可接受的,否则是不能保证安全或不可接受的。

将缺陷根据防喷器的损坏形式分为表面缺陷、埋藏缺陷和体积缺陷。表面缺陷和埋藏缺陷分别指表面裂纹和埋藏裂纹,体积缺陷主要指凹坑、气孔和夹渣。为了全面表征各种缺陷对防喷器判废的影响,将三种缺陷作为父节点,缺陷评定作为子节点来建立缺陷评定贝叶斯网络模型,如图3所示。图中Qx、Bm、Mc、Tj节点分别代表防喷器缺陷评定、表面缺陷评定、埋藏缺陷评定、体积缺陷评定。所有节点都有两个状态,即“安全”、“不安全”。父节点为“安全”的初始先验概率设为50%,即假设初始阶段防喷缺陷安全程度为0.5,节点间的相互关系为OR-gate。当未检测出缺陷时,父节点的先验概率为1。当检测出缺陷时,需要根据检测数据修改父节点的先验概率来判定当前状态下缺陷的安全程度。将缺陷安全程度作为父节点的先验概率输入到缺陷评定贝叶斯网络中,就可以得到缺陷综合评定结果。这里,提出基于改进的平面缺陷常规评定方法来处理表面缺陷和埋藏缺陷,同样提出基于改进的体积缺陷评定方法来处理体积缺陷。

图3 缺陷评定模型

平面缺陷常规评定方法和体积缺陷评定方法是GB/T19624—2019《在用含缺陷压力容器安全评定》中用于评定缺陷是否安全的方法,不能表征缺陷的安全程度。改进的平面缺陷常规评定方法和体积缺陷评定方法是在原有方法的基础上加上判定缺陷安全程度的方法,实现了缺陷的定量评定,如图4所示。

图4 改进的平面缺陷常规评定方法

安全评定以上用来判定评定点是否落在安全区内,如果为“否”,则缺陷的安全程度S为0,即父节点为安全的先验概率为0,缺陷不安全。如果为“是”,则需要评定缺陷的安全程度来确定表面缺陷和埋藏缺陷为安全的先验概率。判定评定点是否在安全区内是根据GB/T19624—2019《在用含缺陷压力容器安全评定》标准确定的,而缺陷的安全程度S按下式计算:

(1)

式中:|OP|为评定点至原点的距离,mm;|OM|为过原点和评定点的直线与失效评定曲线FAC的交点M到原点的距离,mm。

改进的体积缺陷评定方法是在原有的基础上增加了凹坑安全程度的评定,用应力中最大工作载荷Nmax与已经计入安全裕度的含凹坑缺陷的容器最高容许工作压力pmax的比值来表示:

(2)

1.3 风险性评定建模

除了防喷器自身缺陷影响外,许多外在因素也会影响其判废结果。防喷器判废风险性越高,则风险的可接受程度越低,防喷器判废的可能性就越大,因此有必要对防喷器判废的风险进行评估,以此来提高防喷器判废评定的全面性和准确性。在对防喷器的判废状态评估时,由于涉及的风险因素较多,且相互之间的关系错综复杂,定量风险性评定可参考的历史数据和相关案例极少。基于此,结合相关文献并进行现场调研,提出从设计制造阶段、使用阶段、维修阶段、检验阶段4个方面细化风险因素,建立防喷器判废风险评定贝叶斯网络模型,以闸板防喷器为例建立的风险评定模型如图5所示。各节点对应风险因素如表2所示,各个节点均有两种状态。在对水下环形防喷器进行判废风险评定时,只需要将维修阶段的维修对象换为环形防喷器的顶盖、壳体、活塞、防尘圈即可,其他节点可不做改变。

表2 水下防喷器判废风险因素

为了简化评估而不失一般性, 假设根节点的先验概率为0.5,根据专家经验得出条件概率的值。由于篇幅有限,表3中只给出了顶节点风险性评定(Fx)的条件概率表。在进行风险性评定时,需要根据现场实际有无此风险来预测当前状态下的风险可接受程度,即当某一或多个根节点发生时,需要将其先验概率改为1来实现风险预测。

表3 关于节点WX、JY、SZ、SY和FX的简化条件概率表例子

1.4 综合评定建模及判废等级划分

将以上建立的三种评定模型根据节点间的相互关系整合为综合评定模型,其简化形式如图6所示,各节点对应综合因素如表4所示。各根节点的先验概率由其各自对应的评定模型获得,顶节点的概率定义为:

表4 水下防喷器判废综合因素

图6 水下防喷器判废综合评定简化模型

(3)

式中:P(Pf)、P(Qx)、P(Fx)分别表示水下防喷器判废事件状态为“是”、缺陷评定事件状态为“安全”和风险性评定事件状态为“可接受”时的概率,w1、w2分别为缺陷评定和风险性评定的权重,Bz1和Bz2分别表示标注判定节点状态为“符合”和“不符合”。综合专家意见,取w1=0.68、w2=0.32。

充分考虑各个方面的影响因素,将水下防喷器的判废概率划分为五个判废等级,如表5所示。表中描述了判废等级以及对应的概率区间、等级描述和判废建议。

表5 节点间的条件概率表

1.5 诊断分析

诊断推理分析是给定结果后对原因进行分析的过程,其本质是追寻已知结果的各种原因的可能性。诊断推理分析有利于确定防喷器判废的主要原因,以此来采取对应的维护维修操作等。随着时间的推移,如果使用最新的事故前兆数据,会更接近实际的模型数据,这也降低了模型和结果的不确定性。给定另一组变量E的观测值,即证据,根据贝叶斯定理可以计算出某一特定变量的后验概率(Posterior Probability,Pp)为:

(4)

2 案例分析

以FZ35-70型闸板防喷器为例,如图7所示。该水下闸板防喷器的公称通径为346.1 mm,工作压力为70 MPa,材料类型为30CrMoA。经检测发现在垂直通孔内径R1=173 mm、外径R2=283 mm上有一个深度为h=10.715 mm、长度为l=13.2 mm的半椭圆形轴向内表面裂纹。

图7 带有轴向半椭圆形裂纹的防喷器壳体

首先,对FZ35-70型闸板防喷器进行标准判定,经过拆卸、清洗与检测,并经过专家判断确定了各个标准判定的根节点状态均为“不符合”,得到的标准判定的结果为“不符合”的概率为1。所以该水下防喷器在当前状态下不符合判废标准,不能直接判定,需要对其进行缺陷评定和风险性评定。

其次,由全面检测结果可知,该闸板防喷器只在垂直通孔上存在一个深度为h=10.715 mm、长度为l=13.2 mm的半椭圆形轴向内表面裂纹。由于壳体不存在埋藏缺陷和体积缺陷,即埋藏缺陷和体积缺陷为“安全”的先验概率为1,所以只需要确定表面裂纹缺陷的安全程度即可。相关计算结果如表6。经判定,缺陷评定点在安全区内,且安全程度为63.23%,所以缺陷评定结果为“安全”的概率为0.632 3。

表6 缺陷评定结果

然后,基于现场调研及专家预测来判定当前状态下有无此风险,得到了如表7所示的风险性评定结果。在这种情况下得到的风险性评定节点状态为“可接受”的概率为0.655。

表7 风险性评定结果

最后,综合以上数据,得到了FZ35-70型闸板防喷器存在一个深度为h=10.715 mm、长度为l=13.2 mm半椭圆形轴向内表面裂纹时防喷器的判废概率为0.352,判废等级为Ⅱ级,对应的判废建议为不建议报废,可对缺陷进行针对性维修。

假设防喷器评定为建议判废,根据公式(4)计算结点的后验概率,对于中间节点标准评定、缺陷评定和风险性评定的Pp如图8所示。其中标准判定的结果为“不符合”的概率为1,缺陷评定的“不安全”和风险性评定的“不可接受”的Pp分别为80.6%和54.6%,也就是说,缺陷评定相对于风险性评定的内容更容易导致防喷器判废。因此,针对此防喷器需要更加注重对缺陷的检测和维修,定期进行维修检查和保养,以确保其安全可靠运行。

图8 中间结点的后验概率

3 结论

1) 针对现役防喷器无统一判废标准且相关行业标准适用性差的问题,提出了基于贝叶斯网络的水下防喷器概率性判废分级评定方法。该方法融合了标准判定、缺陷评定和风险性评定三个方面,充分分析了水下防喷器自身缺陷以及外在风险的影响,建立了水下防喷器分级评定模型,制定了水下防喷器判废规则,实现了水下防喷器判废状态的定量评估。

2) 通过对某FZ35-70型闸板防喷器进行判废等级研究,验证了方法的可行性。结果表明:在其垂直通孔内表面有一深度为h=10.715 mm、长度为l=13.2 mm的半椭圆形轴向裂纹时,该防喷器的当前状态不符合判废标准,得到的缺陷的安全程度为0.635;在存在试压误操作、溢流并关井、承压次数≥400、内外表面油漆脱落、含有静态表面缺陷等风险的情况下,该防喷器的风险可接受程度为0.655;得到的水下防喷器判废概率为0.352,对应的判废等级为Ⅱ级,说明该水下防喷器的判废概率较低,防喷器自身状态良好,不建议报废,可以对缺陷进行针对性维修,维修后不影响防喷器的性能。